重金属暴露与肾功能的关联性研究:基于代谢综合征人群的横断面研究证据

张皓文 王家林 朱劲刚 李彦君 钟 旭 龙 刚 孙广东 张 敏*

(1.天津医科大学 人民临床学院,天津 300121;2.天津市人民医院 肾内科,天津300121)

代谢综合征(Metabolic syndrome,Mets)是一种以腹部肥胖、胰岛素抵抗、高血压和高脂血症为特征的病理状况。据统计,其患者约占世界人口的四分之一[1]。慢性肾脏病(Chronic kidney disease,CKD)同样是一个日益严重的公共健康问题,因为其高发病率以及复杂繁多的相关并发症,造成了庞大的医疗负担。根据全球疾病负担最新的研究显示,2017年全球约有6.975亿CKD患者[2]。由于两种疾病如此高的发病几率,近年来越来越多的目光聚焦于两种疾病的合并人群,近期,由美国心脏协会提出了关于心血管肾脏代谢综合征的新概念[3],指出了代谢危险因素与心血管疾病及CKD之间的多维联系,更是使得研究者们进一步关注Mets与CKD之间的共同联系。有研究指出[4],在存在代谢功能障碍的人群中,脂肪组织功能紊乱通过释放促炎和促氧化物质从而造成肾脏炎症及纤维化,进而损害肾功能。

重金属普遍存在于自然环境中,可经过皮肤接触、呼吸道吸入或者口服等途径进入人体,并对机体产生健康影响[5]。肾脏是一个可以滤过、重吸收和浓缩金属离子的代谢器官。因此,它是一个对金属高度敏感的器官。多项流行病学研究及动物实验针对重金属的肾毒性作用进行深入探索[6-7],但上述研究结果仍存在争议。且由于血液中金属的浓度受到多种因素(如性别、肥胖、吸烟、生活习惯等)的影响[8-10],而Mets患者自身的代谢紊乱状态无疑是一种不可忽视的因素。作为一个高发的疾病人群,目前尚未有研究针对Mets患者开展重金属暴露对肾功能的影响研究。因此,本研究拟基于美国营养与健康调查(National health and nutrition examination survey,NHANES)中2011—2018年的数据,通过评估血液中镉(Cd)、铅(Pb)、硒(Se)以及锰(Mn)的水平,研究Mets人群中重金属暴露与CKD发生以及肾功能指标的相关性,从而为在Mets人群中精准防治肾脏并发症寻求更好的科学依据。

1 实验部分

1.1 研究人群和数据来源

本研究的数据来源于NHANES(2011—2018年)。NHANES由美国疾病预防控制中心牵头开展,通过问卷调查,身体测量和实验室检查来评估参与者的健康和营养状况,其相关数据和伦理批准可在美国卫生统计中心公开获得[11]。2011—2018年4个周期中共纳入研究参与者35 196人,其中代谢综合征患者5 510人。在排除了年龄小于18岁(92人)、血肌酐及尿白蛋白肌酐比值、血尿酸,以及血液金属数据测量数据缺失(1 571人)、怀孕,协变量缺失及无有效权重(1 373人)后,本研究共纳入2 474人进行分析。

1.2 暴露测量

本研究检测了血液中的4种重金属(包括铅、镉、硒、锰)浓度。全血样本依照实验室程序手册进行制备、储存及分析,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)定量评估血液样品中重金属的浓度[12]。当重金属浓度低于检出限(Limit of detection,LOD)时,采用将LOD除以2的平方根进行处理[13]。

1.3 代谢综合征的定义

本研究仅纳入患有代谢综合征的人群进行分析。根据 NCEP ATPIII 标准诊断代谢综合征,当存在以下 3 项或更多时,定义为代谢综合征:向心性肥胖、高空腹血糖、高血清甘油三酯、高血清高密度脂蛋白、高胆固醇和高血压[14]。

1.4 结局测量

估计的肾小球滤过率(Estimated glomerular filtration rate,eGFR)的计算根据CKD-EPI方程得出[15],CKD的定义为尿白蛋白肌酐比值(Urinary albumin to creatinine ratio,UACR)>30 mg/g或eGFR<60 mL/min(1.73 m2过滤面积)。本研究的主要结果指标包括CKD、eGFR、UACR和尿酸(Uric acid,UA)。

1.5 协变量

为了得到更为可靠的结果,通过参照既往的研究及临床实践,将以下因素纳入协变量构建调整模型,包括:年龄(≥60、<60岁)、性别、种族(包括墨西哥裔美国人、其他西班牙裔、非西班牙裔白人、非西班牙裔黑人及其他种族)、受教育程度(高中以下、高中及同等学历、高中以上)、家庭贫困收入比(Poverty-income ratio,PIR)、BMI(<25 kg/m2、≥25 kg/m2)、吸烟、饮酒、运动情况。PIR划分为低(≤1.3)、中(1.3～3.5)、高(>3.5)。吸烟情况依据血清可替宁的水平分为低(<0.015 ng/mL)、中(0.015～3 ng/mL)、高(>3 ng/mL)三个水平。依据美国国立卫生院国家酒精滥用和酒精中毒研究所的定义,依据性别差异分为不饮酒、中度饮酒、重度饮酒(包含酗酒)[16]。体力活动则根据体力活动指南的建议,使用全球身体活动问卷对参与者进行访问,并根据问卷结果将其划分为低强度、中等强度、高强度三组[17]。

共患病的诊断标准中,糖尿病定义为:服用糖尿病药物、空腹血糖≥7.0 mmol/L或糖化血红蛋白≥6.5 mmol/L以及问卷调查回答曾经确诊有糖尿病[18];高血压则定义为:收缩压≥140 mmHg(1 mmHg=133.322 Pa)或舒张压≥90 mmHg、服用降压药物及问卷回答曾经确诊有高血压病史[19]。而血脂异常则定义为总胆固醇≥5.18 mmol/L,或甘油三酯≥150 mg/dL,或男性高密度脂蛋白胆固醇<1.04 mmol/L、女性<1.30 mmol/L,或低密度脂蛋白胆固醇≥3.37 mmol/L,或使用任何降脂药物[20]。

1.6 统计学方法

在本研究中,严格参照NHANES指南,考虑其多阶段的抽样设计,使用合适的权重进行加权后分析。在统计学描述中,连续性变量计算加权平均值,分类变量计算其构成比。对于连续性变量及分类变量分别使用加权Studentt检验及加权卡方检验差异性检验。由于血液中金属值呈的偏态分布,本研究对其进行了对数转换以更好地拟合模型。使用加权Logistics回归以及线性回归探讨Mets人群中血液重金属暴露对CKD发生风险及肾功能指标的影响。模型1:粗模型,即仅纳入血液重金属浓度进行分析。模型2:在模型1的基础上,进一步校正年龄、性别、种族、受教育程度、PIR、BMI、吸烟状况、饮酒状况和运动情况。根据年龄分组、性别、BMI分组、是否患有高血压、是否患有糖尿病以及是否患有血脂异常进行亚组分析。双侧P<0.05被视为具有统计学意义。在本研究中,所有统计学分析均使用Empower Stats 4.1.0软件及R 4.3.0软件进行分析。

2 结果

2.1 参与者基线特征

本研究最终纳入代谢综合征患者2 474例,其中女性占比51.59%,平均年龄(54.36±0.45)岁,平均BMI为(33.41±0.26) kg/m2。在本研究中大多数纳入患者为非西班牙裔白人(67.23%)、收入水平中等(37.67%)、中度吸烟(38.05%)、重度以上饮酒(39.70%)、教育程度较高(55.89%)、每日运动强度较低(52.73%)。

此外,发现在CKD组中,年龄、血Pb、UACR、UA及eGFR均高于无CKD组,而血Se则低于无CKD组,且差异有统计学意义(P<0.05),有关血液中肾功能指标与重金属水平详见表1。

表1 人群基线资料表(依据是否患有CKD分组)

2.2 Mets患者血液重金属暴露与肾功能的关联

根据回归分析结果显示,在未进行任何调整的模型中,血Pb及Cd与CKD发生、UACR、UA呈正向关联,与eGFR则呈负向关联;而Se与CKD发生呈现负向关联,Mn则与eGFR层正向关联,与UA呈现负向关联(P<0.05)。在调整了年龄、性别、种族、PIR、教育程度、BMI、吸烟状况、饮酒状况、运动状况后,血液中Pb与CKD发生(OR=1.32,95%CI:1.08～1.63)及血尿酸水平(β=0.03,95%CI:0.01～0.04)呈现正向关联,而与eGFR水平(β=-0.06,95%CI:-0.07～-0.05)呈负向关联;Cd与CKD患病呈正向关联(OR=1.34,95%CI:1.07～1.67)而与eGFR呈负向关联(β=-0.05,95%CI:-0.07～-0.04);Se水平与CKD发病(OR=0.33,95%CI:0.14～0.74)呈负向关联;Mn与eGFR(β=0.11,95%CI:0.06～0.15)存在正向关联(P<0.05),见表2。

表2 单一重金属与代谢综合征人群中肾功能标志物的关联

2.3 亚组分析

在按照年龄、性别、BMI、CKD分期、高血压、糖尿病及血脂异常病史分层的亚组分析中,发现在绝大多数亚组中,血液重金属对于肾功能的影响与主模型的结果保持一致。Pb及Cd对CKD发生的影响在BMI<25 kg/m2的人群中尤为明显(OR分别为2.79和2.49)。血Se对于肾功能的影响,在女性、年龄≥60、BMI≥25 kg/m2以及患有高血压的人群中更为显著。在各亚组中,血Mn对eGFR的正向关联稳定存在,且未发现与其他肾功能标志物及CKD的显著关联,见表3。

表3 在代谢综合征人群中血铅(镉、硒、锰)与肾功能指标相关性的亚组分析

3 讨论

本研究通过使用NHANES数据库2011—2018年的数据,基于代谢综合征人群,探讨了血液4种重金属(Pb、Cd、Se、Mn)暴露与CKD及肾功能标志物(eGFR、UACR、UA)之间的关联性。结果表明,在代谢综合征人群中,Pb、Cd可能会造成肾脏损害,而Se及Mn的暴露可能对肾功能有保护作用。本研究为在特定人群之中血金属与肾功能之间的相关性提供了参考,具有一定的公共卫生学价值和意义。

在既往的研究中已经证实了CKD的发生受到氧化应激作用的调控,而在代谢综合征的人群之中,由于肥胖、血脂异常等多种因素的调控,使得氧化应激反应更为活跃。在本研究中,CKD的发病率达27.1%,远高于普通人群[2]。Cd和Pb是人体内两种非必需金属,当血液中Cd以及Pb浓度升高时,Cd可以通过破坏抗氧化酶系统、诱导线粒体损伤以及减少活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的清除从而间接使机体内ROS水平上升,介导氧化应激反应的加重;而Pb则通过抑制抗氧化酶(诸如超氧化物歧化酶、葡萄糖-6磷酸脱氢酶等)的活性,直接增加ROS的水平[21]。此外由于Pb以及Cd的暴露可能会导致代谢综合征人群中原有的胰岛素抵抗的加重以及脂肪组织功能紊乱[22],从而增加炎症因子(如肿瘤坏死因子α、白介素6、血管内皮生长因子等)的释放[23],进一步损害肾功能。在一项针对亚洲一般人群的横断面研究中发现,血液中的Cd与Pb水平与eGFR存在负相关[24],同时KIM等[25]的研究中也证实,即使在低水平暴露时,血液中的Cd也与CKD的发生风险存在显著正相关,这与本研究的结果相一致。然而LU等[26]在中国铅污染地区的研究发现,成人的肾功能降低与血铅水平并不存在显著相关性,这与我们的研究结果有所差异。产生这种差异的原因可能是由于本研究基于代谢综合征人群开展研究,该人群本身可能更易受到金属毒性的影响;其次上述研究中人群来自铅污染地区,环境中铅浓度的不同以及个体差异同样也会对研究结果造成差异。此外在亚组分析中发现,非超重或肥胖的代谢综合征人群,Cd及Pb对其CKD发病的影响相对较大。考虑到由于在本研究中BMI<25 kg/m2的人群样本量相对较少,对此结果仍需大规模人群研究验证。

而目前对于血Se暴露与肾脏损害之间的关系尚存在一定争议,部分研究认为CKD的发生与血Se水平并无关联性,甚至存在正相关[27]。XIE等[28]一项基于中国健康与营养调查数据的研究中发现,在普通人群中(特别是女性和中老年人群),高水平的Se摄入能在一定程度上降低CKD的发生风险,这与我们的研究结果相一致。由于我们的研究人群更为特殊,造成这种现象的原因可能与Se对于肾脏的保护作用受到多种代谢因素的影响[28],而在代谢综合征的人群之中无疑会增加对于这种作用的敏感性。同样,对于血Mn,发现其eGFR的降低存在负向关联。 Mn参与多种与氧化应激相关的金属酶合成。当体内Mn缺乏时,会导致Mn-SOD功能障碍,从而导致肾功能损害[29]。目前有关血Mn对肾脏影响的报道较少,在TSAI等[30]所进行的研究中发现,尿液中Mn含量与尿白蛋白水平升高有关,这与我们的研究结果相异。结果的差异性可能归因于两项研究所用生物样本不同,且存在人群差异,因此,Mn对健康人群以及代谢综合征人群肾功能的影响仍需前瞻性研究验证。

4 结论

1)本研究使用了NAHNES数据库,该数据库具有全国代表性。这在一定程度上扩大了代谢综合征人群的样本量,有利于结果的可靠性;2)在研究中对4中血液重金属物质进行分析,并进行了人口学因素、生活习惯等混杂因素的调整,结果仍然稳健;3)最后在不同人群中进行了亚组分析,以验证结果的稳定性,同时为进一步的研究提供了参考。同样的,与其他的NHANES研究相似,这项研究也具有如下缺点:1)由于这项研究是基于横断面数据所构建,所以无法深入探究其中的因果关系;2)由于许多混杂因素的收集是通过问卷调查完成的,可能会存在一定的回忆偏倚;3)由于删除了重要数据缺失的患者,因此可能存在一定的选择偏倚。

综上所述,本研究为重金属与代谢综合征患者的肾功能之间的关系提供了证据,后续需进一步开展纵向研究来证明此种关联,这可能对进一步探究肾脏代谢综合征之间的关系具有重要意义。